a interação de luz e matéria - university of são paulo
TRANSCRIPT
1
AGA0293 Astrofísica Estelar
Capítulo 5
A interação de luz e matériaA interação de luz e matéria
5.1 Linhas espectrais
5.2 Fótons
5.3 O modelo do átomo de Bohr
5.4 Mecânica Quântica e a Dualidade Partícula-onda
Slides pela Profa. Jane Gregorio-Hetem e Prof. Jorge Meléndez
Em 1835, o filósofo francês Auguste Comte considerou os limites do conhecimento. No seu livro “Filosofia Positiva” escreveu:
2
5.1 Linhas espectrais
“No que diz respeito às estrelas, poderemos determinar suas distâncias, movimentos, [...] mas nunca seremos capazes de determinar a sua composição química”
https://twitter.com/Astro_Ladies/status/1064616777227927552
1925
4
1802: Wollaston descobriu 7 linhas escuras sobrepostas ao espectro contínuo do Sol.
Joseph von Fraunhofer (1787-1826)
1817: Fraunhofer catalogou 574 dessas linhas escuras no espectro solar (linhas de Fraunhofer)
descobriu que uma linha proeminente no Sol, tinha a mesma posição que a linha de sódio na Terra (por comparação com o comprimento de onda da luz amarela emitida por sal espalhado em uma chama).
5
a) O espectro de emissão do sódio 2 linhas brilhantes amarelas.
b) O espectro de absorção do sódio 2 linhas escuras na mesma posição
© 2
005
Pea
rson
Pre
ntic
e H
all
Espectro solar original desenhado pelo Fraunhofer
6
Três leis de Kirchhoff (~1860)Três leis de Kirchhoff (~1860)Regras que estabelecem a emissão e a absorção de radiação
Espectro contínuo (sem
linhas)
© Cosmic Perspective
1ª: Um objeto denso no estado sólido ou gasoso, produzirá um espectro contínuo, quando aquecido.
7
Um gás a baixa pressão a uma temperatura suficientemente alta produzirá um espectro de linhas brilhantes de emissão
2ª Lei de Kirchhoff2ª Lei de Kirchhoff
Espectro de linhas de emissão
© Cosmic Perspective
8
Um gás a baixa pressão e temperatura, entre uma fonte de radiação contínua e um observador, produzirá um espectro de linhas de absorção
3ª Lei de Kirchhoff3ª Lei de KirchhoffEspectro de
linhas de absorção
© Cosmic Perspective
99
Aplicação da espectroscopia: Espectros de elementos químicos no laboratório
Hélio descoberto no Sol em 1868, só encontrado na Terra em 1895
Hydrogen
Sodium
Helium
Neon
Mercury
650
Wavelength (nm)
600 550 500 450 400
(c) Alson Wong, 3/nov/2013, Uganda
Cromosfera solar e anel de diamante, instantes antes da totalidade
Espectro da cromosfera solar, eclipse de 1999, Hungria
É chamado espectro flash pois as linhas de emissão aparecem por apenas alguns segundos
http://www.eurastro.de/webpages/MRSPECT.HTM
O hélio foi descoberto primeiro no Sol, usando espectros do eclipse solar de 18/8/1868.
12
Exemplos de aplicação: linhas de Fraunhofer
13
Hubble Makes First Direct Measurements of Atmosphere on World Around another Star. © STScI
The star HD209458, the exoplanet HD209458b, the spectrograph STIS on Hubble, and the resulting spectral signature of sodium
14
15
Fonte afasta-se do observador comprimento de onda observado aumenta (2 > 0)
Fonte aproxima-se comprimento de onda
observado diminui (1< 0)
0 é o
comprimento de onda em repouso
Exemplos de aplicação: Efeito DopplerEfeito Doppler
Efeito Doppler
Espectro em repouso
Deslocamento para o vermelho
Deslocamento para o azul
Estrela se afasta (> 0):velocidade positiva
Estrela se aproxima (<0): velocidade negativa
ExemploUma das mais importantes linhas de hidrogênio é a linha de H em 656,281 nm, medida no laboratório.
A estrela Vega tem a linha de H em 656,251 nm. Qual a velocidade radial da estrela?
17
c = 299 792 km/s
v = -13,7 km/s
18
v
vr
Components of the star’s velocity: vr is the star’s radial
velocity and v is the star’s transverse velocity
vd
Exemplo A estrela Vega tem a linha de H em 656.251 nm. Qual a velocidade total?
19
r = 7,76pc v = 12,9 km/s
Movimento próprio de Vega:
(1.15)
Velocidade total relativa ao Sol:
vrad
= -13,7 km/s
= 0,35077 ” yr-1
Espectrógrafo
20© Roy & Clarke
Fen
da
Prisma ou rede de difração
Det
etor
Melhores espectrógrafos têm uma precisão de 1m/s (HARPS no ESO)
Elemento dispersor da luz: prisma ou rede• Rede de difração:
difração + interferência
21
• Prisma: refração diferencial
Se quiser, pode trocar a nota de uma das 3 primeiras provinhas pela construção de um espectrógrafo de “rede” usando um CD ou DVD. Entrega: 21/ago
22
http://www.scienceinschool.org/pt/2007/issue4/spectrometer
https://www.exploratorium.edu/snacks/cd-spectroscope
23
5.2 Fótonsdescrição da matéria e energia → Mecânica Quântica
Efeito fotoelétrico: na incidência de fótons numa superfície, elétrons são ejetados com energia cinética Kmax, que não
depende da intensidade da luz, porem Kmax varia em função
da frequência (ou ) da luz incidente.
vermelho: baixa (não ejeta e-)
verde: adequada para ejetar e-
azul: alta: e- mais energéticos são ejetados
A constante de Planck h é a base da
24
Efeito fotoelétrico
Einstein explicou o efeito fotoelétrico como sendo devido a um “feixe de partículas sem massa” fótons com energia:
A energia do fóton é transferida para um elétron da superfície, superando sua energia de ligação (chamada de “função de trabalho”) elétron ejetado
Efóton = h = hc/
25
Exemplo de Aplicação Calcule a energia de um fóton
hc = 1240 eV nm
de luz azul (400 nm), visível (500 nm) e vermelho (700 nm)
26
Exemplo de Aplicação Quantos fótons visíveis
Rpta: 2,52x1020 fótons/s
( = 500 nm) são emitidos por uma lâmpada de 100 Watts? Lembrar que 1 eV = 1,602 x 10-19 J
E500 nm
= 2,48 eV x (1,602 x 10-19 J / eV) = 4 x 10-19J
Exemplo de Aplicação
Calcule a frequência (em Hz) e a energia (em eV) para cada comprimento de onda, em diferentes regiões espectrais
Região (Hz) E (eV)
Raios-X 10 Å 3 x 1017 1,24 x 103 Ultravioleta 1216 Å 2,47 x 1015 10,2Visível 5000 ÅInfravermelho 25 m Rádio 15 m
c = 3 1010 cm/s; h=6,63 10-27 erg . s, 1 Å = 0,1nm = 10-8 cm
1 eV = 1,60184 10-12 erg = 1,60184 10-19 J
28
Arthur Compton (1892-1962)
Efeito Compton (evidência de que a luz tem natureza de partícula).
Compton mediu a diferença em de “fótons” de raios-X espalhados por elétrons livres.
A energia do fóton relacionada com o momento (p)
Fóton é espalhado no ângulo e elétron no ângulo . Com a perda de energia, o do fóton aumenta:
me = massa do elétron Comprimento de onda de ComptonλC=hme c
=0 ,00243nm
E2 = p2c2 + m2c4
29
5.3 Modelo do átomo de BohrJohann Balmer (1825-1898) descobriu empiricamente como reproduzir o comprimento de onda de linhas do hidrogênio:
1λ=RH (
1
m2−1
n2 )onde n = 2, 3,4,... e n > m RH=1,09677583 107 m-1
Os comprimentos de onda do hidrogênio:Diferentes conjuntos de linhas espectrais, em função do nível a partir do qual se dá a transição:
m = 1: série de Lyman, denominadas Ly, Ly, Ly (linhas do UV);
m = 2: série de Balmer: H, H, H… (espectro visível);m = 3: série de Paschen, denominadas P, P... (infravermelho).
Linhas e níveis de energia do átomo de H
pOutermost level
Continuum
n=1
n=2
n=3
n=4
n=5
n=6
n=
Fundamental
L
Lyman
L
L
L
Balmer
H
H
H
H
P
Paschen
P P P
B B
BrackettBrackett
B
B
PfundPfund
F F
F
F
H 656,3 nm
ee
nucleus
1λ=RH (
1
m2−1
n2 )
31
Modelo de Átomo de Bohr: elaborado para resolver problema do modelo de Rutherford (elétron em órbita circular perde energia)
Niels Bohr (1885 – 1962)
onde m é a massa do elétron; r o raio do movimento circular com velocidade v, em torno do núcleo.
n = 1, 2, …, etc.
Solução: só certas órbitas discretas são permitidas
e em tais órbitas o elétron não emite radiação.
Órbitas definidas por valores discretos do momento angular:
= 1,054571596 × 10−34J s
32
Para avaliar o movimento do sistema elétron-próton, utilizamos a lei de Coulomb atração elétrica entre duas cargas q1 e q2 separadas por distância r:
onde o = 8,85418781710-12 F m-1 (permissividade elétrica) [farads/m]
Considere o elétron e o próton, de massas me e mp, e cargas e- e e+, girando em torno de um centro de massa comum. A massa reduzida será:
e a massa total M = me + mp = me + 1836,15266 me=1,0005446 mp
Como M mp e me , podemos considerar sistema composto de próton de massa M e elétron de massa
= 0,999455679 me
33
Da segunda lei de Newton, a aceleração centrípeta:
implica em:
Então a energia cinética:
e a energia potencial será:
34
A energia total do átomo será:
Usando a quantização do momento angular:
A expressão da energia cinética pode ser reescrita:
onde ao = 5,291772083 10-11 m = 0,0529 nm é o raio de Bohr
ou seja, apenas algumas órbitas são possíveis (em função de n2)
E = K + U = K – 2K = – K =
L = vr = n
35
• A energia do elétron na órbita n pode ser obtida
inserindo o raio r:
• O sistema é considerado ligado enquanto a energia do
nível for En < 0.
• À medida que n , E0
Quando E > 0, o elétron não fica ligado ao núcleo.
estado ionizado
En=−μe4
32 π2 εo2h2
1
n2=−13,6
1
n2eV
E =
Linhas espectrais aparecem quando o elétron muda de nível de energia:
(a) emissão, (b) absorção
F. LeBlanc, Stellar Astrophysics
37
Comparando com a expressão de Balmer para linhas de H, temos a constante de Rydberg para o hidrogênio:
38
Exemplo: Cálculo do comprimento de onda da linha H
Qual é o do fóton emitido quando um elétron do átomo de H de Bohr passa por uma transição da órbita n = 3 para n = 2?
E = E3 – E2:
Levando a = 656,469 nm no vácuo, que é 0,03% discrepante do valor medido no ar: = 656,281 nm.
Usando o índice de refração = 1,000297
= 656,28 nm
39
Após a revolução quântica, as leis de Kirchoff foram melhor explicadas:
1ª. Um gás denso (ou um sólido) a alta temperatura produz um espectro contínuo, descrito por B(T) com máx definido pelo deslocamento de Wien; 2ª. Um gás gente e difuso produz linhas brilhantes de emissão, quando um elétron decai de um nível de energia mais alto para um mais baixo, emitindo um fóton de energia E ;
3ª. Um gás frio em frente a uma fonte de espectro contínuo produz linhas escuras de absorção quando um elétron sobe para um nível de energia mais alto, após absorver um fóton com energia E.
Fig. 5.7. Energy level diagram for the hydrogen atom showing Lyman, Balmer and Paschen lines.
AbsorçãoEmissão
41
A visão moderna do A visão moderna do átomo de hidrogênioátomo de hidrogênio
42
5.4 Mecânica Quântica e a dualidade partícula-onda
Frequência e comprimento de onda de de Broglie: aplicação da dualidade partícula-onda na natureza.Fótons carregam energia e momento:
Louis de Broglie (1892 – 1987)
Toda a matéria exibe propriedades de onda em sua propagação e pode ser caraterizada por uma frequência e comprimento de onda
Exemplo: uma pessoa de 70 kg correndo a 3 m/s tem = 3,2 10-36 m, que é desprezível nas escalas atômicas e do dia-a-dia → não sofre difração.
43
Para um elétron:
44
A onda (de amplitude ) não fornece informação sobre a posição de determinado elétron ou fóton, mas sim a “probabilidade” |de encontrar o elétron ou o fóton naquela posição.
Por exemplo: no experimento de dupla fenda, fótons ou elétrons nunca são encontrados nas posições em que as ondas das fendas 1 e 2 têm interferência destrutiva: |
45
Princípio de Incerteza de Heisenberg
A onda na fig (a) tem um definido, então o momento p = h/ da partícula é exatamente conhecido. Porém, no intervalo x = ± há um grande número de picos igualmente altos a localização da partícula é incerta.
A fig. (b) mostra a combinação de várias ondas resultando em zero exceto para um certo x posição é melhor definida mas devido à combinação de p incerto
Werner Heisenberg (1901– 1976)
46
A incerteza no momento p é inversamente proporcional a x, impedindo que ambos sejam bem definidos simultaneamente.Heisenberg demonstrou:
que pode ser aproximado por:
sendo similar à incerteza na medida da energia e o intervalo de tempo:
O conceito do princípio de incerteza será utilizado no Cap. 9 para definir a largura das linhas espectrais.
Princípio de Incerteza de Heisenberg
47
Equação de Schrödinger e o átomo da Mecânica Quântica
Para descrever os orbitais do elétron, Schrödinger propôs dois números quânticos a mais: l e ml , que descrevem o momento angular do átomo:
Erwin Schrödinger (1877– 1961)
onde l = 0, 1,2,3..(n-1) = s, p, d, f, ...n: principal número quântico que determina a energia.
Por exemplo: (n = 2, l = 1) corresponde ao orbital 2p
48
Diferentes orbitais, denominados pelos diferentes valores de l e ml são chamados degenerados se eles têm o mesmo valor do número quântico principal n mesma energia. Transições de elétrons para orbitais degenerados uma mesma linha espectral.Mas são sensíveis ao campo magnético (B) orbitais degenerados com pequenas diferenças em E divisão das linhas espectrais Efeito Zeeman normal, assumindo 3 possíveis valores de frequência:
onde o é a frequência na ausência de B eé a massa reduzida
49
Exemplo: Campo magnético das nuvens interestelares muito fraco B 210-10 T*
Radiotelescópios permitem medir a variação na polarização por meio das componentes Zeeman das linhas de absorção produzidas pelas nuvens de hidrogênio. Essas linhas apresentam-se “unidas” (blended).
A variação na frequência é:
e a variação total (de um lado ao outro da linha com blend) é 2 = 5,6 Hz
Como comparação, para a linha do hidrogênio medida em rádio = 21cm é = 1,4 109 Hz
(*) relação entre Tesla e Gauss: 1 G = 10-4 T
Δν=eB
4 π me=2,8 Hz
50
O Spin e o Princípio de Exclusão de Pauli
Efeito Zeeman Anômalo causa uma divisão adicional das linhas devido ao spin do elétron, cujo momento angular é:
A componente z ée os únicos valores possíveis do 4º número quântico são ms= ±1/2
Wolfgang Pauli (1900– 1958)
Princípio de exclusão de Pauli: dois elétrons não ocupam um mesmo estado quântico (não compartilham um mesmo conjunto de números quânticos).
51
Níveis eletrônicos do átomo de He.http://slideplayer.com/slide/5879841/
Os espectros complexos dos átomos
O estado detalhado de cada elétron é descrito por todos os números quânticos:n, l, ml e ms
Sómente são permitidas as transições que seguem algumas regras, como l = ±1.Transições fora dessas regras são chamadas proibidas, que podem ocorrer numa escala de tempo muito maior, em ambientes astrofísicos de muita baixa densidade.
Diagrama de níveis de energia
(term ou Grotrian diagram)
para o Na I
http://128.104.164.100/data/e_sodium.gif
Qual a chance de ocupar (popular) determinado nível?
Provinha #31. A estrela HD 103095 é uma estrela do halo da nossa galáxia. Segundo o SIMBAD (http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-fid), HD 103095 tem uma paralaxe de 0,11” e uma velocidade radial de -98,35 km/s (observe o sinal negativo). Qual é o comprimento de onda da linha de H no espectro da estrela devido ao deslocamento Doppler? Dar a resposta em nanometros. A estrela está se afastando ou aproximando?Nota: em repouso, a linha de H tem = 656,281 nm. Adotar uma velocidade da luz de 3x108 m/s.
2. Quantos fótons visíveis (500 nm) são emitidos por uma lâmpada de 50 Watts?Dados. hc = 1240 eV nm, 1 ev = 1,602 x 10-19 J